EP3755609A1 - Mobiler roboter sowie verfahren zum ausführen einer laufbewegung - Google Patents

Mobiler roboter sowie verfahren zum ausführen einer laufbewegung

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EP3755609A1
EP3755609A1 EP19707712.6A EP19707712A EP3755609A1 EP 3755609 A1 EP3755609 A1 EP 3755609A1 EP 19707712 A EP19707712 A EP 19707712A EP 3755609 A1 EP3755609 A1 EP 3755609A1
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EP
European Patent Office
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leg
segment
mobile robot
drive
foot
Prior art date
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EP19707712.6A
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English (en)
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EP3755609B1 (de
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Andreas Karguth
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Benubot Projektkooperation GbR
Original Assignee
Benubot Projektkooperation GbR
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3755609A1 publication Critical patent/EP3755609A1/de
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Publication of EP3755609B1 publication Critical patent/EP3755609B1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/0091—Shock absorbers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/0008—Balancing devices
    • B25J19/002—Balancing devices using counterweights
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/02—Sensing devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/104—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements with cables, chains or ribbons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D57/00—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track
    • B62D57/02—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members
    • B62D57/032—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members with alternately or sequentially lifted supporting base and legs; with alternately or sequentially lifted feet or skid

Definitions

  • the present invention relates to a mobile robot with which in particular running and / or jumping movements of
  • the invention also relates to a method for carrying out a running movement with such a robot.
  • the walking robot "ASIMO" of the manufacturer Honda, the walking robot “ATLAS” of the manufacturer Boston Dynamics and the walking robot “NAO” of the manufacturer Soft Bank Robotics are based on active rigid body mechanisms.
  • the running robot "OutRunner” of the manufacturer Robotics Unlimited Inc. has star-shaped legs, which for
  • the running robot "CASSIE” of the manufacturer Agility Robotics is based on naturally known movement principles.
  • Andrada E . "On vision in birds: coordination of head-bobbing and gait stabilizes vertical head position in quail” in Fron tiers in Zoology, Issue 11 (1), 27, 2014; in the article by Andrada, E. et al .: "Adjustments of global and local hindlimb properties during the terrestrial locomotion of the common quail” (Coturnix coturnix) in JEx Biol, Issue 216, pages 3906-3916; in the article by Andrada, E. et al. : "Grounded running in quails: simulation indicating benefits of observed fixed aperture between angles before legs-down-touch" in J Theor Biol, Issue 335, pp. 97-107, 2013 and in the
  • US 6,779,621 B2 shows a method for stabilizing a balancing transporter having two wheels arranged on a common axis.
  • CN 107539385 A shows a leg of a robot which has a torso part, an upper leg segment, a lower one
  • leg segment and a foot.
  • the upper leg segment is pivotable relative to the trunk.
  • the lower leg segment is stretchable relative to the upper leg segment.
  • the CN 107554641 A and the CN 205150021 U show robot legs, which are modeled on the legs of birds.
  • the object of the present invention starting from the prior art is to be able to better mimic the known from nature running and jumping movements of animals, especially birds, by technical means.
  • Said object is achieved by a mobile robot according to the attached claim 1.
  • the said object is further achieved by a method according to the attached independent claim 14.
  • the invention initially shows a leg arrangement.
  • Leg assembly is intended for a mobile robot and forms a separate functional unit with which
  • Feed movements preferably running and / or
  • the leg assembly includes at least one leg and one
  • the leg supports the torso and includes an upper leg segment and a lower leg segment.
  • the upper leg segment and the lower leg segment are through a middle joint
  • the upper leg segment and the lower leg segment are stretched to each other by a stretching drive on the middle joint bar, so that the pivotal movement between the upper Beinseg management and the lower leg segment can be actuated and controlled.
  • the upper leg segment is mounted in a trunk joint on the body part, so that the upper leg segment can be swung forwards and backwards in at least one direction of travel.
  • the upper leg segment is swingable with a leg vibration drive against the body part in the running direction, so that the oscillating movement of the leg relative to the body part in the running direction can be actuated and controlled.
  • the fuselage joint is displaceable with respect to the body part with a karin drive Beinein.
  • the trunk joint is in particular in a vertical direction relative to the body part with the leg retracting drive up and down slidably.
  • the trunk joint and attached leg can be retracted towards the trunk.
  • the trunk joint and attached leg can be moved away from the trunk.
  • the upper leg segment can be shortened with respect to the trunk joint via a spring-damper unit by a force acting between the upper leg segment and the trunk joint force.
  • the upper leg segment can be shortened, in particular in the longitudinal direction of the upper leg segment. This shortening of the upper leg segment Mentes acts against the spring-damper unit, so that in a disappearance of the between the upper leg segment and the
  • the leg has on the lower leg segment a foot extending in an area, so that the foot can stand on a floor over at least three contact points that are not together on a straight line.
  • the foot thus extends in a state in a plane parallel to the ground.
  • leg assembly allows the realization of a bird-like running system, which is due to the combination of the leg swing drive, the leg retracting drive and the shortenability of the upper
  • leg segment opposite the trunk joint on the spring-damper unit is possible.
  • the leg assembly allows a large range of stability with minimal control effort. It requires a lower energy requirement for locomotion compared to robots based on actuated rigid body running systems.
  • the upper leg segment is one with a twist-and-turn drive
  • the leg segment may thus be rotated about the longitudinal axis of the upper leg segment with respect to the torso portion and the trunk joint. This rotation can be actuated and controlled by the Berichhungsantrieb. This rotation also rotates the lower leg segment and the foot with respect to the torso part.
  • the maximum angle of rotation is preferably ⁇ 90 ° and more preferably ⁇ 45 °.
  • the Bewearhungsantrieb before given to a sensor for measuring the rotational position of the upper Leg segment.
  • the sensor for the measurement of the rotational position is preferably gebil det by an encoder with a zero encoder.
  • the Bewearhungsantrieb is preferred to the position and
  • the foot is attached to the lower leg segment via an ankle.
  • the foot in the ankle is rotatable about an axis parallel in the direction of rotation of the central joint and an axis rotated 90 ° relative to the lower foot segment.
  • the foot preferably has at least three mutually remote ground contact points that span a plane that forms the surface of the extension of the foot.
  • the foot can stand in the three ground contact points on the ground, so that the entire leg assembly and possibly other coupled assemblies are in the three ground contact points on the ground.
  • One of the ground contact points is preferably arranged in relation to the running direction behind the ankle. In this case, this ground contact point is preferably arranged on a aligned in the running direction Rich and the leg longitudinal axis intersecting straight.
  • Two more of the ground contact points are preferably arranged in relation to the running direction in front of the ankle. In this case, these two ground contact points are preferably arranged both sides of the aligned in the direction and the leg longitudinal axis intersecting straight.
  • the foot preferably has exactly these three ground contact points.
  • the ground contact points are preferably dome-shaped.
  • the ground contact points are preferably made of an elastic material.
  • a force sensor unit is preferably arranged, with which force variables such as forces and moments on the foot, in particular special in the ground contact points are measurable.
  • the force magnitude sensor unit preferably comprises three force sensor elements which are each arranged at one of the three ground contact points. In particular, the forces and moments retroactive from the ground to the foot can be measured with the force-magnitude sensor unit.
  • the foot is opposite the lower leg segment with a first one
  • the foot is opposed to the lower leg segment with a second one
  • Foot actuator rotatable about an axis which is aligned in the longitudinal direction of the foot. This rotation axis is called
  • This rotation can be actuated and controlled by the second foot actuator. This rotation leads to an inward and outward tilting of the foot relative to the lower leg segment in analogy to supination and
  • Preferred embodiments of the leg assembly include a sensor with which at least one angle between the foot and the lower leg segment is measurable.
  • the at least one angle is preferably an angle which describes the rotation of the foot about the transverse axis of the foot, and / or an angle which determines the rotation of the foot about the foot
  • the reader With the sensor at least one of three components of a mathematical description of a difference of spatial angular positions of the respective foot can be measured.
  • the components of the mathematical description of the difference of the spatial angular positions of the respective foot are the rotational components of poses of the respective foot.
  • two or more preferably three of the three components of the mathematical description of the difference of the spatial angular positions of the respective foot can be measured.
  • an inertial sensor is preferably arranged, with which the position and orientation, ie. H. the pose of the foot in the room is measurable.
  • the inertial sensor is preferably designed for measuring the position of the foot in all three spatial directions and rela tive orientation of the foot about the axes of all three spatial directions with respect to a center body on it tiche coordinate system whose pose can be determined by an inertial sensor located there.
  • the extension drive includes a return spring acting between the upper leg segment and the lower leg segment and a cable.
  • the return spring is preferably designed to bend the upper leg segment and the lower leg segment to one another.
  • a force can be applied to the upper leg segment and the lower leg segment over the
  • the cable preferably comprises a pull rope, which is guided on a disk segment.
  • On End of the traction cable is preferably mounted on the disc segment.
  • the disk segment is rotatably connected in the middle joint with one of the two leg segments; preferably with the lower leg segment.
  • the disk segment is preferably designed as a cam segment.
  • the stretch drive preferably further comprises a Seilzugan drive for applying the traction cable with a tensile force.
  • the cable drive is preferably arranged on the body part.
  • the cable drive preferably comprises an electric motor and a traction mechanism.
  • the cable drive is preferably position adjustable.
  • the pull rope is between the fuselage part and the
  • the middle joint is preferably guided in a cable housing, so that the pull rope and the cable housing form a Bowden cable.
  • the upper leg segment is pivotable about the longitudinal axis of the upper leg segment with a leg pivot drive.
  • the upper leg segment is thus pivotable to the side outward and inward. This pivotal movement is through the leg
  • Pivoting drive can be actuated and controlled.
  • the Beinschwen kungsantrieb preferably comprises an electric motor with a transmission and a measuring system for detecting the rotational position.
  • the leg pivot drive is preferably positionally adjustable. Since the upper leg segment is pivotable with the leg pivot drive about the longitudinal axis of the upper leg segment, and the entire leg is pivotable about this axis to the side. This pivoting movement can take place with respect to the body part. Alternatively, this pivoting movement may alternatively also take place together with the body part, so that the body part is pivoted directly, as a result of which the leg suspended on the body part is likewise pivoted.
  • the leg swing drive includes a belt drive with a driving pulley and a driven one
  • the driving pulley is with a
  • the driven belt sprocket is rotatably connected in the trunk joint with the upper leg segment.
  • a belt preferably by a toothed belt
  • the leg vibration drive is preferably torque and position adjustable.
  • the electric motor preferably comprises a rotary gear and preferably an encoder for position detection.
  • At the driven pulley is preferably a sensor for measuring the angle of rotation of the
  • the sensor is preferably formed by a zero-point or absolute rotation sensor.
  • the leg retracting drive includes a torso-hinge bearing
  • Lever arm which is pivotable with a lever mechanism of the leg retracting drive relative to the fuselage part. Since the lever arm carries the trunk joint, it also carries the upper leg segment.
  • the lever mechanism preferably comprises a spindle gear and a sliding from the spindle drive drive lever, so that the
  • the toggle is preferably self-locking.
  • Spindle drive preferably comprises a zero point sensor and preferably an electric motor with an encoder for position control.
  • a distance measuring system is arranged on the upper leg segment, with which the shortening of the upper leg segment acting on the spring-damper unit relative to the trunk joint can be measured.
  • the upper leg segment preferably comprises a guide part and a displacement part.
  • the displacement part is guided linearly in the guide part.
  • This linear guide is aligned in the leg longitudinal direction.
  • the guide part is preferably mounted in the trunk joint.
  • the guide part is preferably seated on the driven pulley.
  • the spring-damper unit is preferably clamped between the guide part and the displacement part.
  • the spring-damper unit act at least one spring and at least one damper in parallel.
  • the spring-damper unit preferably comprises at least one spring damper.
  • Spring damper is an integral unit of the spring and the damper, with the spring and the damper having a common longitudinal axis.
  • the spring-damper unit preferably comprises at least two of the spring damper.
  • the at least two spring damper are preferably parallel zueinan arranged.
  • the spring-damper unit is preferably designed to be interchangeable in the leg assembly, so that the spring-damper unit can be exchanged against a spring-damper unit with a different spring stiffness and / or other damping.
  • the spring damper unit comprises the spring damper and a further spring, which is mechanically connected in series with the spring damper.
  • the ankle is formed by an elastic flexure. The bending joint can be deflected at least in one direction or preferably in two directions, so that the foot is pivotable relative to the lower leg segment.
  • the first whostellantrieb preferably comprises a remindstellfe the, which may also be formed by the elastic bending joint itself or complements the elastic bending joint.
  • the return spring is preferably formed by a coil spring, by an elastic polymer segment or by a coupling mechanism with spring action.
  • the return spring in the ankle is preferably designed to stretch the ankle, d. H. to pivot the foot about the solicitquersachse in a rotational direction relative to the lower leg segment.
  • the first tillstellantrieb preferably further comprises a first caringstellseilzug, wherein a pull rope of the first effetstellseilzu is secured via a first lever on the foot. A force can be applied over the first foot control cable to flex the ankle, i. H. to pivot the foot about the solicitquersachse in a rotational direction relative to the lower leg segment.
  • the first foot actuator preferably further includes a first caringstellseilzugantrieb for acting on the pull cable of the first helpingstellantriebes with a tensile force.
  • the first caringstellseilzugantrieb is preferably arranged on the body part is.
  • the first caringstellseilzugantrieb preferably comprises an electric motor and a traction mechanism.
  • the whostellseilzugantrieb preferably includes an encoder for position control.
  • the first contributingstellseilzugantrieb is before granted position adjustable.
  • the traction cable of the first contributingrie bes is preferably performed in a Switzerlandhülle between the body part and the ankle, so that the pull rope and the outer casing train a Bowden cable.
  • the first foot actuator is preferably self-locking.
  • the second whostellantrieb preferably comprises a remindstellfe the, which may also be formed by the elastic bending joint itself or complements the elastic bending joint.
  • the return spring is preferably formed by a coil spring, by an elastic polymer segment or by a coupling mechanism with spring action.
  • the return spring is preferably designed to tilt the foot outwards relative to the lower leg segment, i. H. in analogy with Termologia anatomica, to pronate the foot.
  • the second approaching a pull rope of the second effetstellseilzuges is attached via a second lever on the foot. A force can be applied via the second foot control cable to tilt the foot inwardly relative to the lower leg segment, i. H.
  • the second whostellantrieb preferably further comprises a second effetstellseilzugantrieb for acting on the traction cable of the second effetstellantriebes with a tensile force.
  • the second responsible herein is preferably arranged on the body part.
  • the second responsible herein preferably comprises an electric motor and a traction mechanism.
  • the second skilled herein preferably comprises an encoder for position control.
  • the second responsible hereinafter is preferably position adjustable.
  • the traction cable of the second effets is preferably guided in a Switzerlandhülle between the body part and the ankle, so that the pull rope and the
  • the second foot actuator is preferably self-locking.
  • the upper leg segment and / or the lower leg segment are each divided into subsegments.
  • the subsegments are each connected to one another by an intermediate joint and can be adjusted to one another by an intermediate drive.
  • the intermediate joint and the intermediate drive preferably have the same features as the middle joint and the linear drive and their preferred embodiments.
  • the extension drive, the leg oscillation drive, the leg drive and possibly the Bewearhungsantrieb, theticianstellantriebe and / or the Beinschwenkungsantrieb preferably also include pneumatic and / or hydraulic elements for force and / or torque generation and / or movement and force or torque transmission ,
  • an inertial sensor for determining the position of the leg pose is arranged on the body part.
  • the leg arrangement preferably comprises an accumulator for supplying the actuators with electrical energy.
  • the leg assembly preferably comprises an electronic
  • Control unit for controlling or controlling the traction drive, the leg oscillation drive and the leg retracting drive.
  • the accumulator is preferably also with the electronic
  • Control unit connected to feed this.
  • Electronic control unit is preferably connected to the inertial sensors, the force magnitude sensor units, the displacement measuring system and / or the other sensors to control the drives can.
  • the mobile robot according to the invention is suitable for performing running and / or jumping movements.
  • the mobile robot according to the invention is particularly suitable running and / or
  • the mobile robot comprises at least two of the described leg arrangements.
  • the legs of the leg assemblies together carry a central body of the mobile robot.
  • Preferred embodiments of the mobile robot include preferred embodiments of the described leg assembly.
  • the mobile robot also preferably has features described in connection with the leg assembly.
  • the mobile robot preferably constitutes a leg-based movement system having self-stabilizing and energy-saving properties.
  • the mobile robot may also include more than two of the leg assemblies.
  • the inven tion proper mobile robot has a high degree of scalability, so that different size dimensions and Traglastei properties can be realized.
  • the mobile robot according to the invention can realize different functions.
  • the mobile robot can move forward and backward. In the state of motion, changes in the direction of movement can be realized.
  • the mobile robot can assume a statically stable position and return to the state of motion.
  • the movements of the mobile robot can be carried out smoothly and without jerking.
  • the mobile robot By coupling additional communication, control and sensor units, the mobile robot is capable of remote-controlled, semi-autonomous or autonomous movement. to carry out.
  • the mobile robot is capable of one
  • the mobile robot requires only a small energy requirement.
  • the two-legged mobile robot is similar in operation to the appearance of walking and running in birds. When equipped with four leg assemblies, the mobile robot is similar in operation to the appearance of walking and running in four-legged mammals.
  • the mobile robot according to the invention represents a technical implementation of a basic biomechanical principle for sauchu nige running on the model of birds.
  • the basic principle allows a stable leadership of a body with low energy consumption, high stability, low self-weight and low control effort.
  • the invention made light a reduction in the number of joint drives to a minimum.
  • a central body is preferably arranged.
  • the mobile robot preferably comprises exactly two of the
  • the mobile robot includes four or more of the described leg assemblies.
  • a movable compensator mass is arranged in the central body, the drive with a first Kompensatormassenstell displaced in the longitudinal direction of the central body is and which is displaceable with a second Kompensatormassenstellantrieb in the transverse direction of the central body.
  • the compensator mass can be adjusted in two directions relative to the central body.
  • the two Kompor satormassenstellantriebe are preferably each positionre gelbar.
  • the two mass actuators preferably each comprise an electric motor, an encoder and a zero
  • the electronic control unit is preferably connected to the Kompensatormassenstellantrieben to these steu ern can.
  • the body parts of the leg assemblies are each with the leg pivoting drives about the longitudinal axis of the leg
  • Pivotable central body By this pivoting movement of the respective body part and attached to the body part leg is pivoted.
  • the body parts are preferably pivotable about a paral lel to the longitudinal axis of the central body axis on the cent ral body.
  • the mobile robot according to the invention preferably further comprises at least one robot arm for the transport, handling and / or manipulation of objects.
  • the mobile robot can be used to perform service and inspection activities.
  • the mobile robot preferably further comprises sensors for environmental detection, so that it can also be used for reconnaissance.
  • the mobile robot preferably further comprises a communication system for communicating with other machines and / or with humans.
  • the communication system allows the remote control of the mobile robot and / or the transmission of sensor data to a remote machine and / or to a remote person.
  • the communication system is preferred for wireless data transmission. training and / or for visual, acoustic and / or body language communication.
  • the mobile robot according to the invention preferably comprises a casing, which encloses the central body with the body parts, the legs and possibly the at least one robot arm, as well as others
  • Robot body parts encloses.
  • the shell is preferably formed elas table so as not to hinder the movements of the walking robot.
  • the shell preferably has design elements that support interaction with humans.
  • the sheath preferably recreates a character, a character, and / or a shape to aid interaction with humans.
  • the mobile robot according to the invention is preferably also designed for movement in gaseous or liquid media, for which purpose buoyancy-generating components are added.
  • the mobile robot preferably further comprises special buoyancy bodies, which generate a buoyancy with respect to the surrounding medium.
  • Further means for generating buoyancy forces and forces for generating a spatial movement may be in the form of a system of propellers or nozzles.
  • the inventive method is used to carry out a running movement with the described leg assembly or with the mobile robot according to the invention.
  • the stretching drive, the leg oscillation drive and the leg zugsantrieb the respective leg assembly are controlled so that a force acting on a bottom of the leg assembly basically acts in the direction of resting with the respective body portion point.
  • This point resting on the body part is also called a virtual pivot point.
  • the retroactive from the ground on the leg assembly forces each have one Wirkline on the invention always pierce the virtual-Pivoting- point.
  • the actuating drive, the leg oscillation drive and the leg retraction drive generate such setting torques that the action lines of the forces acting on the leg arrangement from the bottom are always the virtual Pivoting point pierced.
  • damping are generated by the stretching drive, the leg vibration drive and the leg retracting drive and the Bewearhungsantrieb, the effetstellantriebe and / or the leg pivot drive of the respective leg assembly such Stell moments in that the lines of action of the forces acting on the leg assembly from the ground in each case always pierce the virtual pivot point.
  • the inventive method for carrying out a running movement with the mobile robot according to the invention is formed.
  • the two legs are preferably loaded alternately, being driven in a swing phase of each leg not legas the leg retraction drive of each leg not loaded th so that this leg is pulled in the direction of the respective body part.
  • the extensor drove the respectively unloaded leg so controlled that the middle joint of this leg is buckled.
  • FIG. 1 shows a preferred embodiment of a leg arrangement of a robot according to the invention in a perspective view
  • Fig. 2 the leg assembly shown in Figure 1 in a mallli chen view.
  • FIG. 3 shows a foot of the leg arrangement shown in FIG. 1;
  • FIG. 4 shows a preferred embodiment of an inventive Shen mobile robot.
  • Fig. 5 the mobile robot shown in Figure 4 in a wide Ren position.
  • Fig. 6 a central body with a compensation mass
  • Fig. 7 a mechanical to be realized according to the invention
  • Fig. 1 shows a preferred embodiment of a
  • the leg assembly includes a torso portion 01 and a leg 02 movably attached thereto.
  • the leg 02 includes an upper leg segment 03 and a lower leg segment 04 which are interconnected and extensible with each other via a center joint 06.
  • the upper leg segment 03 is suspended on two spring dampers 07, which in turn are attached to a driven pulley 08. Since the driven pulley 08 is mounted in a rotary bearing (not shown) in the body part 01, the leg 02 can be swung forward and backward by rotation of the driven pulley 08, so that the rotary bearing (not shown) forms a trunk joint.
  • the top The top
  • Shock absorbers 07 are shortened with respect to the trunk joint formed by the rotary bearing (not shown).
  • the driven pulley 08 forms a belt transmission with a belt 09 and a driving pulley (not shown) which is drivable by an electric motor 11.
  • the electric motor 11 and the disc driven by the driven pulley 08, the belt 09 and the driving pulley (not shown) formed belt transmissions are arranged on a lever arm 12, which is rotatably mounted in a Hebelarmlagerung 13 in the fuselage part 01, so that it can be swung up and down.
  • the torso joint formed by the rotary bearing (not shown) and thus also the leg 02 are shifted upwards or downwards relative to the torso part 01, so that the leg 02 moves in relative to the torso part 01.
  • a drive lever 14 the drive by a Spindelan 16 (shown completely in Fig. 2) is driven.
  • the upper leg segment 03 is rotatable about its longitudinal axis.
  • An electric Bewearhungsantrieb 17 allows rotation of the upper leg segment 03 about its longitudinal axis with respect to the body part 01st
  • the center joint 06 is stretchable and diffractable by means of a stretching drive 18.
  • the stretch drive 18 includes an electric cable drive 19, which is taken on the body part 01 fastened and a Bowden cable 21 beaufschla conditions with a tensile force can.
  • the Bowden cable 21 extends to the center joint 06 and includes a pull cable 22, which element 23 is guided on a Kurvenusionnseg.
  • the cam segment 23 converts the tensile force of the pull cable 22 into a torque which acts on the lower leg segment 04, since the cam segment 23 in the middle joint 06 is non-rotatably connected to the lower leg segment 04.
  • the lower leg segment 04 opens at its lower end into an elastic ankle 24, in which a foot 26 is mounted.
  • the ankle 24 allows rotation of the foot 26 about a doubllteilsachse.
  • the ankle 24 also allows rotation of the foot 26 about a transverse axis of the foot.
  • the rotation of the foot 26 in the researchingquersachse, is with a firstticianstellantrieb 27th
  • the first foot actuator 27 includes a first effettellseilzugantrieb 28 for applying a first
  • the Bowden cable 29 with a pulling force.
  • the first Bowden cable 29 opens into a Bowden cable suspension 31 at the ankle 24.
  • the tensile force of the first Bowden cable 29 acts on the Bowden cable suspension 31 as torque on the foot 26 to rotate it about the solicitquersachse.
  • the rotation of the foot 26 in the submittedlteilsachse can be actuated with a second foot actuator 32.
  • the secondticianstellan drive 32 includes a second effetstellseilzugantrieb 33 for applying a second Bowden cable 34 with a tensile force.
  • the second Bowden cable 34 opens into the Bowden cable suspension 31 at the ankle 24.
  • the tensile force of the second Bowden cable 34 acts via the Bowden cable suspension 31 as torque on the foot 26 to rotate it about theticianlticiansachse.
  • the foot 26 has three ground contact points 36, 37, 38, which are distributed over a surface.
  • the first ground contact point 36 is based on the direction behind the ankle 24.
  • the second ground contact point 37 and the third ground contact point 38 are based on the running direction Rich in front of the ankle 24 and have in one direction perpendicular to the right direction at a distance from each other.
  • Fig. 2 shows the leg assembly shown in Fig. 1 in a side view. In this illustration, in particular, the spindle drive 16 is shown.
  • Fig. 3 shows the foot 26 shown in Fig. 1 in a detail representation.
  • Fig. 4 shows a preferred embodiment of a fiction, contemporary mobile robot.
  • the mobile robot comprises two of the leg arrangements shown in FIG. 1, which are mirror-symmetrical to one another.
  • the two body parts 01 of the two leg assemblies together with a Monegan by 41 a base body of the mobile robot, wherein on the body and functional elements, such as Robo terarme (not shown) may be arranged.
  • the central body 41 comprises a Kompensatormasse 42.
  • the Kompensatormasse 42 can be moved with a first Kompensatormassen actuator 43 in the longitudinal direction of the central body.
  • the first Kompensatormassenstellantrieb 43 is designed as an electric spindle drive.
  • Kompensatormasse 42 can be moved with a second Kompensatormassen actuator 44 in the transverse direction of the central body.
  • the second compensator mass actuator 44 is designed as an electric belt drive.
  • the central body 41 further comprises a left leg pivoting drive 46, with which the body portion 01 of the left leg assembly can be pivoted to the side, d. H. can be rotated about an axis lying in the direction of rotation.
  • the central body 41 further comprises a right Beinschwen kungsantrieb 47, with which the body part 01 of the right leg assembly can be swung to the side, d. H. can be rotated about an axis lying in the direction of rotation.
  • FIG. 5 shows the running robot shown in FIG. 4 in a further position.
  • the torso portion 01 of the right leg assembly is pivoted sideways, which can be achieved by manually decoupling the right leg pivot drive 46.
  • Fig. 6 shows the central body 41 shown in Fig. 4 with the Kompensatormasse 42 and the two Kompensatormassenstellan drives 43, 44 in detail. In this illustration, the two leg pivot drives 46, 47 are shown.
  • Fig. 7 shows a mechanical replacement model of a running bird. This mechanical replacement model is mimicked according to the invention with the mobile robot shown in FIG. 4.
  • a center of gravity 51 of a spatially extended mass of the body of the bird corresponds to a center of gravity of the massively expanded mass of the body comprising the body 01, the legs 02, the feet 26 and the central body 41 of the mobile robot shown in FIG.
  • a trunk joint 52 swing two legs 53, which have a length io and to a bottom 54 at an angle.
  • the trunk joint 52 has a center of gravity 51 of the mass at a distance r h . This distance r h lies in a straight line which has an angle Q to the vertical.
  • Between the legs 53 is a
  • the legs 53 in the mechanical replacement model each include a spring-damper system 56, which is shown in FIG.
  • Spring damper 07 corresponds.
  • the spring-damper system 56 describes a serial leg stiffness ki, a parallel leg stiffness k2, and a cushioning c.
  • a virtual-pivot point 57 is located at a distance r Vpp above the center of gravity 51 of the mass. According to the model of nature, the movements of the in 4 are so controlled that during running the forces 58 acting on the legs 53 (01 in FIG. 4) from the bottom 54 are always directed to the virtual-pivoting point 57, so that lines of action of these forces 58 den

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mobilen Roboter, welcher zum Ausführen von aus der Natur bekannten Laufbewegungen geeignet ist und zwei Beinanordnungen mit jeweils einem Bein (02) und einem Rumpfteil (01) umfasst. Das Bein (02) umfasst ein oberes Beinsegment (03) und ein unteres Beinsegment (04), welche durch ein Mittelgelenk (06) miteinander verbunden sind, wobei das obere Beinsegment (03) und das untere Beinsegment (04) durch einen Streckantrieb (18) über das Mittelgelenk (04) zueinander streckbar sind. Das obere Beinsegment (03) ist in einem Rumpfgelenk am Rumpfteil (01) gelagert und mit einem Beinschwingungsantrieb (08, 09, 11) gegenüber dem Rumpfteil (01) in eine Laufrichtung schwingbar. Das Rumpfgelenk ist gegenüber dem Rumpfteil (01) mit einem Beineinzugsantrieb (12, 14, 16) verschiebbar. Das obere Beinsegment (03) ist gegenüber dem Rumpfgelenk über eine Feder-Dämpfer-Einheit (07) verkürzbar. Das Bein (02) weist am unteren Beinsegment (04) einen sich in einer Fläche erstreckenden Fuß (26) auf. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Ausführen einer Laufbewegung mit einer erfindungsgemäßen Beinanordnung.

Description

Mobiler Roboter sowie Verfahren zum Ausführen einer
Laufbewegung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen mobilen Roboter, mit welchem insbesondere Lauf- und/oder Sprungbewegungen von
Vögeln nachgeahmt werden können. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Ausführen einer Laufbewegung mit einem solchen Roboter.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene technische Lösun gen zur pedalen Lokomotion bekannt. Der Laufroboter „ASIMO" des Herstellers Honda, der Laufroboter „ATLAS" des Herstellers Boston Dynamics und der Laufroboter „NAO" des Herstellers Soft Bank Robotics basieren auf aktiven Starrkörpermechanismen.
In dem Artikel von Collins, Steve et al . „Efficient Bipedal Robots Based on Passive-Dynamic Walkers" in Science, Jahrgang 307, Ausgabe 5712, Seiten 1082-1085, 18.02.2005 wird ein Lauf roboter beschrieben, der auf einem passiven Starrkörpermecha nismus basiert.
In dem Artikel von Kurowski, S. und von Stryk, 0. „A system- atic approach to the design of embodiment with application to bio-inspired compliant legged robots" in IEEE/RSJ Intl. Conf. on Intelligent Robots and Systems (IROS), Seiten 3771-3778, IEEE, 28.09 bis 02.10.2015 und in dem Artikel von Christensen, David Johan et al . „A distributed and morphology-independent strategy for adaptive locomotion in self-reconfigurable modu lar robots" in Robotics and Autonomous Systems, Jahrgang 61, Ausgabe 9, September 2013, Seiten 1021-1035 werden dynamische Laufmaschinen vorgestellt, welche auf Modellen aktiver, nach- giebiger Mechanismen basieren und dem Vorbild des Laufens beim Menschen entsprechend konstruiert sind.
Der Laufroboter „OutRunner" des Herstellers Robotics Unlimited Inc. weist sternförmig angeordnete Beine auf, welche zum
Zwecke der Fortbewegung rotieren.
Der Laufroboter „CASSIE" des Herstellers Agility Robotics basiert auf aus der Natur bekannten Bewegungsprinzipien.
In der Habilitationsschrift von Andrada, Emanuel: „Contribu- tions to the biomechanics of bipedal locomotion - methods and models", Technische Universität Ilmenau, Fakultät für Maschi nenbau, 2017, werden biomechanische Lösungen zum zweibeinigen Laufen vorgestellt.
In dem Artikel von Andrada, E. et al . : „3D-inverse dynamics of beagles' forelimbs at walk and trot" in Am. J. Vet. Res., Jahrgang 78, Nr. 7, 2017, Seiten 804-817; in dem Artikel von Andrada, E. et al . : „Stability in skipping gaits" in Roy. Soc. Open Sei., Ausgabe 3(11), 2016; in dem Artikel von Kilbourne, B. M. et al . : „Morphology and motion: hindlimb proportions and swing phase kinematics in terrestrially locomoting charad- riiform birds" in J Exp. Biol., Ausgabe 10.1242, 2016; in dem Artikel von Rode, C. et al . : „Minimizing the cost of locomo tion with inclined trunk predicts crouched leg kinematics of small birds at realistic levels of elastic recoil" in J Exp. Biol., Ausgabe 10.1242, 2016; in dem Artikel von Andrada, E. et al . : „Mixed gaits in small avian terrestrial locomotion" in Sei. Rep., Ausgabe 5, 13636, 2015; in dem Artikel von
Blickhan, R. et al . : „Positioning the hip with respect to the COM: Consequences for leg Operation" in J Theor Biol., Ausgabe 382:187-97, 2015; in dem Artikel von Andrada, E. et al . : „Trunk Orientation causes asymmetries in leg function in small bird terrestrial locomotion" in Proc Roy Soc B., Ausgabe
281(1797), 2014; in dem Artikel von Nyakatura J. A. und
Andrada E.: „On vision in birds: coordination of head-bobbing and gait stabilizes vertical head Position in quail" in Fron tiers in Zoology, Ausgabe 11(1), 27, 2014; in dem Artikel von Andrada, E. et al . : „Adjustments of global and local hindlimb properties during the terrestrial locomotion of the common quail (Coturnix coturnix) " in J Exp Biol, Ausgabe 216, Seiten 3906-3916; in dem Artikel von Andrada, E. et al . : „Grounded running in quails: Simulations indicate benefits of observed fixed aperture angle between legs before touch-down" in J Theor Biol, Ausgabe 335, Seiten 97-107, 2013 und in dem
Artikel von Andrada, E. et al . : „Grounded Running: An Over- looked Strategy for Robots" in Autonomous Mobile Systems 2012, Seiten 79-87, Springer Berlin Heidelberg werden
Forschungsergebnisse zum Laufen von Vögeln und Hunden
vorgestellt und hieraus entsprechende Modelle gebildet. Jedoch werden keine konkreten technischen Lösungen aufgezeigt. Die Laufprinzipien unterscheiden sich in ihrer Stabilität und in ihrem Steuerungsaufwand deutlich von den angeführten Prinzi pien des menschlichen Laufens.
In dem Artikel von Vejdani, H. R. et al . : „Bio-inspired swing leg control for spring-mass robots running on ground with unexpected height disturbance" in Bioinspiration & biomimet- ics, Ausgabe 8(4), 2013; in dem Artikel von Blum, Y. et al . : „Swing-leg trajectory of running guinea fowl suggests task- level priority of force regulation rather than disturbance rejection" in PLoS ONE 9, 2014; in dem Artikel von Birn- Jeffery, A. V.: „Don't break a leg: running birds from quail to ostrich prioritise leg safety and economy on uneven
terrain" in J. Exp. Biol., Ausgabe 217, Seiten 3786-3796, 2014; in dem Artikel von Hubicki, C. et al . : „ATRIAS : Design and validation of a tether-free 3D-capable spring-mass bipedal robot" in The International Journal of Robotics Research, Ausgabe 35(12), Seiten 1497-1521, 2016; in dem Artikel von Dadashzadeh, B. et al . : „From template to anchor: A novel control strategy for spring-mass running of bipedal robots" in Intelligent Robots and Systems (IROS 2014), 2014 IEEE/RSJ, Seiten 2566-2571 und in dem Artikel von Daniel Renjewski, et al . : "Exciting Engineered Passive Dynamics in a Bipedal Robot" in IEEE Transactions on Robotics, 2015, Jahrgang 31, Ausgabe 5 werden wissenschaftliche Untersuchungen zur Fortbewegung von Robotern vorgestellt.
Die US 6,779,621 B2 zeigt ein Verfahren zum Stabilisieren eines balancierenden Transporters mit zwei auf einer gemeinsa men Achse angeordneten Rädern.
Die US 2016/0347387 Al, die US 2016/0288848 Al und die
US 2013/0013111 Al zeigen Lösungen für zweibeinige Laufrobo ter, die jeweils ein Feder-Masse-Schwingsystem verwirklichen.
Die CN 107539385 A zeigt ein Bein eines Roboters, welches einen Rumpfteil, ein oberes Beinsegment, ein unteres
Beinsegment und einen Fuß umfasst. Das obere Beinsegment ist gegenüber dem Rumpf schwenkbar. Das untere Beinsegment ist gegenüber dem oberen Beinsegment streckbar.
Die DE 600 20 315 T2 zeigt einen beweglichen Roboter, welcher die Bewegung eines Menschen nachahmt und durch Beine bewegbar ist. Untere Gliedmaßen des Roboters sind über ein Hüftgelenk mit einem Rumpf verbunden. In dem Artikel von Cotton, S. et al . : „FastRunner : A Fast, Efficient, and Robust Bipedal Robot. Concept and Planar
Simulation" in 2012 IEEE International Conference on Robotics and Automation, RiverCentre, Saint Paul, Minnesota, USA, 14. bis 18. Mai 2012, wird ein zweibeiniger Roboter vorgestellt, mit welchem die Bewegung eines Straußenvogels nachgeahmt werden soll.
Die CN 107554641 A und die CN 205150021 U zeigen Roboterbeine, welche den Beinen von Vögeln nachempfunden sind.
In der CN 103625572 A ist ein Roboterbein mit entgegengesetzt beanspruchten Federn beschrieben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, die aus der Natur bekannten Lauf- und Sprungbewegungen von Tieren, insbesondere von Vögeln, mit technischen Mitteln besser nachahmen zu können.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch einen mobilen Roboter gemäß dem beigefügten Anspruch 1. Die genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 14.
Die Erfindung zeigt zunächst eine Beinanordnung auf. Die
Beinanordnung ist für einen mobilen Roboter vorgesehen und bildet eine eigenständige Funktionseinheit, mit welcher
Vorschubbewegungen, vorzugsweise Lauf- und/oder
Sprungbewegungen, durchgeführt werden können. Mit der erfin dungsgemäßen Beinanordnung können insbesondere Lauf- und/oder Sprungbewegungen von Vögeln nachgeahmt werden. Die Beinanordnung umfasst mindestens ein Bein und einen
Rumpfteil. Das Bein trägt den Rumpfteil und umfasst ein oberes Beinsegment und ein unteres Beinsegment. Das obere Beinsegment und das untere Beinsegment sind durch ein Mittelgelenk
miteinander verbunden, sodass das obere Beinsegment und das untere Beinsegment zueinander verschwenkt werden können, wofür das Mittelgelenk zu strecken oder zu beugen ist.
Das obere Beinsegment und das untere Beinsegment sind durch einen Streckantrieb über das Mittelgelenk zueinander streck bar, sodass die Schwenkbewegung zwischen dem oberen Beinseg ment und dem unteren Beinsegment aktuierbar und steuerbar ist. Das obere Beinsegment ist in einem Rumpfgelenk am Rumpfteil gelagert, sodass das obere Beinsegment zumindest in einer Laufrichtung nach vorn und hinten geschwungen werden kann. Das obere Beinsegment ist mit einem Beinschwingungsantrieb gegen über dem Rumpfteil in die Laufrichtung schwingbar, sodass die Schwingbewegung des Beines gegenüber dem Rumpfteil in die Laufrichtung aktuierbar und steuerbar ist.
Das Rumpfgelenk ist gegenüber dem Rumpfteil mit einem Beinein zugsantrieb verschiebbar. Das Rumpfgelenk ist insbesondere in eine vertikale Richtung gegenüber dem Rumpfteil mit dem Bein einzugsantrieb nach oben und unten verschiebbar. Somit können das Rumpfgelenk und das daran angebrachte Bein in Richtung des Rumpfes eingezogen werden. Ebenso können das Rumpfgelenk und das daran angebrachte Bein vom Rumpf wegverschoben werden.
Das obere Beinsegment ist in Bezug auf das Rumpfgelenk über eine Feder-Dämpfer-Einheit durch eine zwischen dem oberen Beinsegment und dem Rumpfgelenk wirkende Kraft verkürzbar. Das obere Beinsegment ist insbesondere in Längsrichtung des oberen Beinsegmentes verkürzbar. Diese Verkürzung des oberen Beinseg- mentes wirkt gegen die Feder-Dämpfer-Einheit, sodass bei einem Verschwinden der zwischen dem oberen Beinsegment und dem
Rumpfgelenk wirkenden Kraft die Verkürzung durch die Feder der Feder-Dämpfer-Einheit wieder aufgehoben wird.
Das Bein weist am unteren Beinsegment einen sich in einer Fläche erstreckenden Fuß auf, sodass der Fuß auf einen Boden über mindestens drei Kontaktpunkte stehen kann, die nicht gemeinsam auf einer Geraden liegen. Der Fuß erstreckt sich somit im Stand in einer Fläche parallel zum Boden.
Ein besonderer Vorteil der Beinanordnung besteht darin, dass sie die Realisierung eines vogelähnlichen Laufsystems erlaubt, was durch die Kombination aus dem Beinschwingungsantrieb, dem Beineinzugsantrieb und der Verkürzbarkeit des oberen
Beinsegmentes gegenüber dem Rumpfgelenk über die Feder- Dämpfer-Einheit möglich wird. Die Beinanordnung ermöglicht einen großen Stabilitätsbereich bei einem minimalen Steuer- und Regelungsaufwand. Sie erfordert im Vergleich zu Robotern auf der Basis aktuierter StarrkörperlaufSysteme einen geringen Energiebedarf für die Fortbewegung.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Beinanordnung ist das obere Beinsegment mit einem Beindrehungsantrieb um eine
Längsachse des oberen Beinsegmentes drehbar. Das obere
Beinsegment kann somit in Bezug auf den Rumpfteil und auf das Rumpfgelenk um die Längsachse des oberen Beinsegmentes gedreht werden. Diese Drehung ist durch den Beindrehungsantrieb aktuierbar und steuerbar. Durch diese Drehung werden auch das untere Beinsegment und der Fuß in Bezug auf den Rumpfteil gedreht. Der maximale Drehwinkel beträgt bevorzugt ±90° und weiter bevorzugt ±45°. Der Beindrehungsantrieb umfasst bevor zugt einen Sensor zur Messung der Drehposition des oberen Beinsegmentes. Der Sensor für die Messung der Drehposition ist bevorzugt durch einen Encoder mit einem Nullpunktgeber gebil det. Der Beindrehungsantrieb ist bevorzugt zur Lage- und
Orientierungsregelung, d. h. zur Regelung einer Pose ausgebil det .
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Beinanordnung ist der Fuß über ein Fußgelenk am unteren Beinsegment angebracht.
Bevorzugt ist der Fuß im Fußgelenk um eine in Drehrichtung des Mittengelenkes verlaufend parallele Achse und eine zu dieser um 90° verdrehte Achse in Bezug auf das untere Fußsegment drehbar .
Der Fuß weist bevorzugt mindestens drei zueinander entfernte Bodenkontaktpunkte auf, die eine Ebene aufspannen, welche die Fläche der Erstreckung des Fußes bildet. Der Fuß kann in den drei Bodenkontaktpunkten auf dem Boden stehen, sodass auch die gesamte Beinanordnung und gegebenenfalls weitere angekoppelte Baugruppen in den drei Bodenkontaktpunkten auf dem Boden stehen. Einer der Bodenkontaktpunkte ist bevorzugt bezogen auf die Laufrichtung hinter dem Fußgelenk anordnet. Dabei ist dieser Bodenkontaktpunkt bevorzugt auf einer in der Laufrich tung ausgerichteten und die Beinlängsachse schneidenden Gerade angeordnet. Zwei weitere der Bodenkontaktpunkte sind bevorzugt bezogen auf die Laufrichtung vor dem Fußgelenk angeordnet. Dabei sind diese beiden Bodenkontaktpunkte bevorzugt beider seits der in der Laufrichtung ausgerichteten und die Bein längsachse schneidenden Gerade angeordnet. Diese beiden Boden kontaktpunkte weisen bevorzugt jeweils einen gleichen Abstand zu dieser Geraden auf. Der Fuß weist bevorzugt genau diese drei Bodenkontaktpunkte auf. Die Bodenkontaktpunkte sind bevorzugt kalottenförmig ausgebildet. Die Bodenkontaktpunkte bestehen bevorzugt aus einem elastischen Material. Im Fuß ist bevorzugt eine Kraftgrößensensoreinheit angeordnet, mit welcher Kraftgrößen wie Kräfte und Momente am Fuß, insbe sondere in den Bodenkontaktpunkten messbar sind. Die Kraftgrö ßensensoreinheit umfasst bevorzugt drei Kraftsensorelemente, die jeweils an einem der drei Bodenkontaktpunkte angeordnet sind. Mit der Kraftgrößensensoreinheit sind insbesondere die von dem Boden auf den Fuß rückwirkenden Kräfte und Momente messbar .
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Beinanordnung ist der Fuß gegenüber dem unteren Beinsegment mit einem ersten
Fußstellantrieb um eine parallel zur Drehachse des
Mittelgelenkes verlaufende Achse drehbar. Diese Achse wird als Fußquerachse bezeichnet. Diese Drehung ist durch den ersten Fußstellantrieb aktuierbar und steuerbar. Diese Drehung führt zu einer Streckung bzw. Beugung des Fußes gegenüber dem unteren Beinsegment um die Fußquerachse in Analogie zur
Dorsalextension und Plantarflexion gemäß Terminologia anato- mica .
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Beinanordnung ist der Fuß gegenüber dem unteren Beinsegment mit einem zweiten
Fußstellantrieb um eine Achse drehbar, welche in Längsrichtung des Fußes ausgerichtet ist. Diese Drehachse wird als
Fußlängsachse bezeichnet. Diese Drehung ist durch den zweiten Fußstellantrieb aktuierbar und steuerbar. Diese Drehung führt zu einer Einwärts- bzw. Auswärtskippung des Fußes gegenüber dem unteren Beinsegment in Analogie zur Supination und
Pronation gemäß Terminologia anatomica.
Bevorzugte Ausführungsformen der Beinanordnung umfassen einen Sensor, mit welchem zumindest ein Winkel zwischen dem Fuß und dem unteren Beinsegment messbar ist. Bei dem mindestens einen Winkel handelt es sich bevorzugt um einen Winkel, welcher die Drehung des Fußes um die Fußquerachse beschreibt, und/oder um einen Winkel, welcher die Drehung des Fußes um die
Fußlängsachse beschreibt. Mit dem Sensor ist mindestens eine von drei Komponenten einer mathematischen Beschreibung einer Differenz von räumlichen Winkellagen des jeweiligen Fußes messbar. Bei den Komponenten der mathematischen Beschreibung der Differenz der räumlichen Winkellagen des jeweiligen Fußes handelt es sich um die rotatorischen Komponenten von Posen des jeweiligen Fußes. Mit dem Sensor sind bevorzugt zwei oder weiter bevorzugt drei der drei Komponenten der mathematischen Beschreibung der Differenz der räumlichen Winkellagen des jeweiligen Fußes messbar.
Auf dem Fuß ist bevorzugt ein Inertialsensor angeordnet, mit welchem die Lage und Orientierung, d. h. die Pose des Fußes im Raum messbar ist. Der Inertialsensor ist bevorzugt zur Messung der Lage des Fußes in allen drei Raumrichtungen und zur rela tiven Orientierung des Fußes um die Achsen aller drei Raum richtungen in Bezug auf ein an einem Zentralkörper ausgerich tetes Koordinatensystem ausgebildet, dessen Pose durch einen dort befindlichen Inertialsensor bestimmbar ist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Beinanordnung umfasst der Streckantrieb eine zwischen dem oberen Beinsegment und dem unteren Beinsegment wirkende Rückstellfeder und einen Seilzug. Die Rückstellfeder ist bevorzugt dazu ausgebildet, das obere Beinsegment und das untere Beinsegment zueinander zu beugen. Über den Seilzug kann eine Kraft aufgebracht werden, um das obere Beinsegment und das untere Beinsegment über das
Mittelgelenk zu strecken. Der Seilzug umfasst bevorzugt ein Zugseil, welches auf einem Scheibensegment geführt ist. Ein Ende des Zugseiles ist bevorzugt auf dem Scheibensegment befestigt. Das Scheibensegment ist im Mittelgelenk drehfest mit einem der beiden Beinsegmente verbunden; bevorzugt mit dem unteren Beinsegment. Das Scheibensegment ist bevorzugt als ein Kurvenscheibensegment ausgebildet .
Der Streckantrieb umfasst bevorzugt weiterhin einen Seilzugan trieb zum Beaufschlagen des Zugseiles mit einer Zugkraft. Der Seilzugantrieb ist bevorzugt am Rumpfteil angeordnet. Der Seilzugantrieb umfasst bevorzugt einen Elektromotor und ein Zugmittelgetriebe. Der Seilzugantrieb ist bevorzugt positions regelbar. Das Zugseil ist zwischen dem Rumpfteil und dem
Mittelgelenk bevorzugt in einer Zughülle geführt, sodass das Zugseil und die Zughülle einen Bowdenzug ausbilden.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Beinanordnung ist das obere Beinsegment mit einem Beinschwenkungsantrieb um die Längsachse des oberen Beinsegmentes schwenkbar. Das obere Beinsegment ist somit zur Seite nach außen und nach innen schwenkbar. Diese Schwenkbewegung ist durch den Bein
schwenkungsantrieb aktuierbar und steuerbar. Der Beinschwen kungsantrieb umfasst bevorzugt einen Elektromotor mit einem Getriebe und ein Messsystem zur Erfassung der Drehposition.
Der Beinschwenkungsantrieb ist bevorzugt positionsregelbar. Da das obere Beinsegment mit dem Beinschwenkungsantrieb um die Längsachse des oberen Beinsegmentes schwenkbar ist, ist auch das gesamte Bein um diese Achse zur Seite schwenkbar. Diese Schwenkbewegung kann gegenüber dem Rumpfteil erfolgen. Diese Schwenkbewegung kann alternativ bevorzugt auch gemeinsam mit dem Rumpfteil erfolgen, sodass unmittelbar der Rumpfteil geschwenkt wird, wodurch das am Rumpfteil aufgehängte Bein ebenfalls geschwenkt wird. Bei bevorzugten Ausführungsformen der Beinanordnung umfasst der Beinschwingungsantrieb ein Riemengetriebe mit einer treibenden Riemenscheibe und mit einer getriebenen
Riemenscheibe. Die treibende Riemenscheibe ist mit einem
Elektromotor antreibbar. Die getriebene Riemenschreibe ist im Rumpfgelenk drehfest mit dem oberen Beinsegment verbunden. Auf der treibenden Riemenscheibe und der getriebenen Riemenscheibe läuft ein Riemen, der bevorzugt durch einen Zahnriemen
gebildet ist. Der maximale Schwingungswinkel zwischen dem oberen Beinsegment und dem Rumpfteil beträgt bevorzugt ±90° und weiter bevorzugt ±45°. Der Beinschwingungsantrieb ist bevorzugt momenten- und positionsregelbar. Der Elektromotor umfasst bevorzugt ein Drehgetriebe und bevorzugt einen Encoder zur Positionserfassung. An der getriebenen Riemenscheibe ist bevorzugt ein Sensor zur Messung des Drehwinkels der
getriebenen Riemenscheibe und somit auch des oberen
Beinsegmentes angeordnet. Der Sensor ist bevorzugt durch einen Nullpunkt- oder Absolutdrehsensor gebildet.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Beinanordnung umfasst der Beineinzugsantrieb einen das Rumpfgelenk tragenden
Hebelarm, der mit einem Hebelgetriebe des Beineinzugsantriebs gegenüber dem Rumpfteil schwenkbar ist. Da der Hebelarm das Rumpfgelenk trägt, trägt er auch das obere Beinsegment. Der Hebelgetriebe umfasst bevorzugt ein Spindelgetriebe und einen vom Spindelantrieb schiebbaren Antriebshebel, sodass der
Antriebshebel und der Hebelarm einen Kniehebel bilden. Der Kniehebel ist bevorzugt selbsthemmend ausgebildet. Der
Spindelantrieb umfasst bevorzugt einen Nullpunktsensor und bevorzugt einen Elektromotor mit einem Encoder zur Positions regelung . Bei bevorzugten Ausführungsformen der Beinanordnung ist am oberen Beinsegment ein Wegmesssystem angeordnet, mit welchem die über die Feder-Dämpfer-Einheit wirkende Verkürzung des oberen Beinsegmentes gegenüber dem Rumpfgelenk messbar ist.
Um das obere Beinsegment verkürzbar auszuführen, umfasst es bevorzugt einen Führungsteil und einen Verschiebungsteil . Der Verschiebungsteil ist in dem Führungsteil linear geführt.
Diese lineare Führung ist in der Beinlängsrichtung ausgerich tet. Der Führungsteil ist bevorzugt im Rumpfgelenk gelagert. Der Führungsteil sitzt bevorzugt auf der getriebenen Riemen scheibe. Die Feder-Dämpfer-Einheit ist bevorzugt zwischen den Führungsteil und den Verschiebungsteil eingespannt.
In der Feder-Dämpfer-Einheit wirken mindestens eine Feder und mindestens ein Dämpfer parallel. Die Feder-Dämpfer-Einheit umfasst bevorzugt mindestens einen Federdämpfer. Bei dem
Federdämpfer handelt es sich um eine integrale Einheit der Feder und des Dämpfers, wobei die Feder und der Dämpfer eine gemeinsame Längsachse besitzen. Die Feder-Dämpfer-Einheit umfasst bevorzugt mindestens zwei der Federdämpfer. Die mindestens zwei Federdämpfer sind bevorzugt parallel zueinan der angeordnet.
Die Feder-Dämpfer-Einheit ist bevorzugt in der Beinanordnung austauschbar ausgebildet, sodass die Feder-Dämpfer-Einheit gegen eine Feder-Dämpfer-Einheit mit einer anderen Federstei figkeit und/oder anderen Dämpfung ausgetauscht werden kann.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Feder- Dämpfer-Einheit den Federdämpfer sowie eine weitere Feder, welche mechanisch in Reihe zu dem Federdämpfer geschaltet ist. Bei bevorzugten Ausführungsformen der Beinanordnung ist das Fußgelenk durch ein elastisches Biegegelenk gebildet. Das Biegegelenk kann zumindest in eine Richtung oder bevorzugt in zwei Richtungen ausgelenkt werden, sodass der Fuß gegenüber dem unteren Beinsegment schwenkbar ist.
Der erste Fußstellantrieb umfasst bevorzugt eine Rückstellfe der, welche auch durch das elastische Biegegelenk selbst gebildet sein kann oder das elastische Biegegelenk ergänzt.
Die Rückstellfeder ist bevorzugt durch eine Schraubenfeder, durch ein elastisches Polymersegment oder durch einen Koppel mechanismus mit Federwirkung gebildet. Die Rückstellfeder im Fußgelenk ist bevorzugt dazu ausgebildet, das Fußgelenk zu strecken, d. h. den Fuß um die Fußquersachse in einer Dreh richtung gegenüber dem unteren Beinsegment zu schwenken. Der erste Fußstellantrieb umfasst bevorzugt weiterhin einen ersten Fußstellseilzug, wobei ein Zugseil des ersten Fußstellseilzu ges über einen ersten Hebel am Fuß befestigt ist. Über den ersten Fußstellseilzug kann eine Kraft aufgebracht werden, um Fußgelenk zu beugen, d. h. den Fuß um die Fußquersachse in einer Drehrichtung gegenüber dem unteren Beinsegment zu schwenken. Der erste Fußstellantrieb umfasst bevorzugt weiter hin einen ersten Fußstellseilzugantrieb zum Beaufschlagen des Zugseiles des ersten Fußstellantriebes mit einer Zugkraft. Der erste Fußstellseilzugantrieb ist bevorzugt am Rumpfteil ange ordnet. Der erste Fußstellseilzugantrieb umfasst bevorzugt einen Elektromotor und ein Zugmittelgetriebe. Der erste
Fußstellseilzugantrieb umfasst bevorzugt einen Encoder zur Positionsregelung. Der erste Fußstellseilzugantrieb ist bevor zugt positionsregelbar. Das Zugseil des ersten Fußstellantrie bes ist zwischen dem Rumpfteil und dem Fußgelenk bevorzugt in einer Zughülle geführt, sodass das Zugseil und die Zughülle einen Bowdenzug ausbilden. Der erste Fußstellantrieb ist bevorzugt selbsthemmend ausgebildet.
Der zweite Fußstellantrieb umfasst bevorzugt eine Rückstellfe der, welche auch durch das elastische Biegegelenk selbst gebildet sein kann oder das elastische Biegegelenk ergänzt.
Die Rückstellfeder ist bevorzugt durch eine Schraubenfeder, durch ein elastisches Polymersegment oder durch einen Koppel mechanismus mit Federwirkung gebildet. Die Rückstellfeder ist bevorzugt dazu ausgebildet, den Fuß gegenüber dem unteren Beinsegment auswärts zu kippen, d. h. in Analogie gemäß Termi- nologia anatomica den Fuß zu pronieren. Der zweite Fußstellan trieb umfasst bevorzugt weiterhin einen zweiten Fußstellseil zug, wobei ein Zugseil des zweiten Fußstellseilzuges über einen zweiten Hebel am Fuß befestigt ist. Über den zweiten Fußstellseilzug kann eine Kraft aufgebracht werden, um den Fuß gegenüber dem unteren Beinsegment einwärts zu kippen, d. h. in Analogie gemäß Terminologia anatomica den Fuß zu supinieren Der zweite Fußstellantrieb umfasst bevorzugt weiterhin einen zweiten Fußstellseilzugantrieb zum Beaufschlagen des Zugseiles des zweiten Fußstellantriebes mit einer Zugkraft. Der zweite Fußstellseilzugantrieb ist bevorzugt am Rumpfteil angeordnet. Der zweite Fußstellseilzugantrieb umfasst bevorzugt einen Elektromotor und ein Zugmittelgetriebe. Der zweite Fußstell seilzugantrieb umfasst bevorzugt einen Encoder zur Positions regelung. Der zweite Fußstellseilzugantrieb ist bevorzugt positionsregelbar. Das Zugseil des zweiten Fußstellantriebes ist zwischen dem Rumpfteil und dem Fußgelenk bevorzugt in einer Zughülle geführt ist, sodass das Zugseil und die
Zughülle einen Bowdenzug ausbilden. Der zweite Fußstellantrieb ist bevorzugt selbsthemmend ausgebildet. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Beinanordnung sind das obere Beinsegment und/oder das untere Beinsegment jeweils in Untersegmente geteilt. Die Untersegmente sind jeweils durch ein Zwischengelenk miteinander verbunden und durch einen Zwischenantrieb zueinander stellbar. Das
Zwischengelenk und der Zwischenantrieb weisen bevorzugt die gleichen Merkmale wie das Mittelgelenk und der Streckantrieb sowie deren bevorzugte Ausführungen auf.
Der Streckantrieb, der Beinschwingungsantrieb, der Beineinzug antrieb und ggf. der Beindrehungsantrieb, die Fußstellantriebe und/oder der Beinschwenkungsantrieb umfassen bevorzugt auch pneumatische und/oder hydraulische Elemente zur Kraft- und/oder Momentenerzeugung und/oder zur Bewegungs- und Kraft- bzw. Momentenübertragung .
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Beinanordnung ist am Rumpfteil ein Inertialsensor zur Lagebestimmung der Beinpose angeordnet.
Die Beinanordnung umfasst bevorzugt einen Akkumulator zur Versorgung der Aktoren mit elektrischer Energie.
Die Beinanordnung umfasst bevorzugt eine elektronische
Steuereinheit zum Steuern oder Regeln des Streckantriebs, des Beinschwingungsantriebs und des Beineinzugsantriebs. Der Akkumulator ist bevorzugt auch mit der elektronischen
Steuereinheit verbunden, um diese zu speisen. Die
elektronische Steuereinheit ist bevorzugt mit den Inertial- sensoren, den Kraftgrößensensoreinheiten, dem Wegmesssystem und/oder den weiteren Sensoren verbunden, um die Antriebe regeln zu können. Der erfindungsgemäße mobile Roboter ist geeignet, Lauf und/oder Sprungbewegungen zu vollführen. Der erfindungsgemäße mobile Roboter ist insbesondere geeignet, Lauf- und/oder
Sprungbewegungen von Vögeln nachzuahmen. Der mobile Roboter umfasst mindestens zwei der beschriebenen Beinanordnungen. Die Beine der Beinanordnungen tragen gemeinsam einen Zentralkörper des mobilen Roboters.
Bevorzugte Ausführungsformen des mobilen Roboters umfassen bevorzugte Ausführungsformen der beschriebenen Beinanordnung. Im Übrigen weist der mobile Roboter bevorzugt auch Merkmale auf, die im Zusammenhang mit der Beinanordnung beschrieben sind .
Der mobile Roboter stellt bevorzugt ein beinbasiertes Bewe gungssystem mit selbststabilisierenden und energiesparenden Eigenschaften dar. Der mobile Roboter kann auch mehr als zwei der Beinanordnungen umfassen. Grundsätzlich weist der erfin dungsgemäße mobile Roboter einen hohen Grad an Skalierbarkeit auf, sodass unterschiedliche Größendimensionen und Traglastei genschaften realisiert werden können.
Der erfindungsgemäße mobile Roboter kann unterschiedliche Funktionen realisieren. Zunächst kann der mobile Roboter sich vorwärts und rückwärts bewegen. Im Bewegungszustand können Änderungen der Bewegungsrichtung realisiert werden. Der mobile Roboter kann eine statisch stabile Position einnehmen und wieder in den Bewegungszustand übergehen.
Die Bewegungen des mobilen Roboters können stoß- und ruckfrei ausgeführt werden. Durch die Ankopplung weiterer Kommunikati- ons-, Steuerungs- und Sensoreinheiten ist der mobile Roboter in der Lage, ferngesteuerte, teilautonome oder autonome Bewe- gungen auszuführen. Der mobile Roboter ist fähig, eine
ausgleichende Reaktion auf mechanische Störungen, welche beispielsweise vom Boden und von der Seite herrühren, zu zeigen. Der mobile Roboter erfordert nur einen geringen Ener giebedarf. Der mit zwei Beinanordnungen ausgestattete mobile Roboter zeigt im Betrieb eine Ähnlichkeit zum Erscheinungsbild des Gehens und Laufens bei Vögeln. Wird der mobile Roboter mit vier Beinanordnungen ausgestattet, zeigt er im Betrieb eine Ähnlichkeit zum Erscheinungsbild des Gehens und Laufens bei vierbeinigen Säugetieren.
Der erfindungsgemäße mobile Roboter stellt eine technische Umsetzung eines biomechanischen Grundprinzips für das zweibei nige Laufen nach dem Vorbild von Vögeln dar. Das Grundprinzip erlaubt eine stabile Führung eines Körpers bei geringem Ener gieverbrauch, einer hohen Stabilität, einem geringen Eigenge wicht und einem geringen Kontrollaufwand . Die Erfindung ermög licht eine Reduktion der Anzahl der Gelenkantriebe auf ein Minimum.
Zwischen den Rumpfteilen der Beinanordnung ist bevorzugt ein Zentralkörper angeordnet.
Der mobile Roboter umfasst bevorzugt genau zwei der
beschriebenen Beinanordnungen, wodurch insbesondere die
Bewegung von Vögeln nachgeahmt werden kann. Alternativ
bevorzugt umfasst der mobile Roboter vier oder mehr der beschriebenen Beinanordnungen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen mobi len Roboters ist im Zentralkörper eine bewegliche Kompensator masse angeordnet, die mit einem ersten Kompensatormassenstell antrieb in die Längsrichtung des Zentralkörpers verschiebbar ist und die mit einem zweiten Kompensatormassenstellantrieb in die Querrichtung des Zentralkörpers verschiebbar ist. Durch diese Stellantriebe ist die Kompensatormasse gegenüber dem Zentralkörper in zwei Richtungen stellbar. Die beiden Kompen satormassenstellantriebe sind bevorzugt jeweils positionsre gelbar. Die beiden Massenstellantriebe umfassen bevorzugt jeweils einen Elektromotor, ein Encoder und einen Null
punktsensor. Die elektronische Steuereinheit ist bevorzugt mit den Kompensatormassenstellantrieben verbunden, um diese steu ern zu können.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen mobi len Roboters sind die Rumpfteile der Beinanordnungen jeweils mit den Beinschwenkungsantrieben um die Längsachse des
Zentralkörpers schwenkbar. Durch diese Schwenkbewegung des jeweiligen Rumpfteiles wird auch das am Rumpfteil angebrachte Bein geschwenkt. Die Rumpfteile sind bevorzugt um eine paral lel zur Längsachse des Zentralkörpers liegenden Achse am Zent ralkörper schwenkbar.
Der erfindungsgemäße mobile Roboter umfasst bevorzugt weiter hin mindestens einen Roboterarm zum Transport, zur Handhabung und/oder zur Manipulation von Objekten. Somit kann der mobile Roboter zum Ausführen von Service- und Inspektionstätigkeiten eingesetzt werden. Der mobile Roboter umfasst bevorzugt weiterhin Sensoren zur Umwelterkennung, sodass er auch für Erkundungen eingesetzt werden kann. Der mobile Roboter umfasst bevorzugt weiterhin ein Kommunikationssystem zur Kommunikation mit anderen Maschinen und/oder mit Menschen. Das Kommunikati onssystem erlaubt die Steuerung des mobilen Roboters aus der Ferne und/oder die Übertragung von Sensordaten zu einer entfernten Maschine und/oder zu einem entfernten Menschen. Das Kommunikationssystem ist bevorzugt zur drahtlosen Datenüber- tragung und/oder zur visuellen, akustischen und/oder körper sprachlichen Kommunikation ausgebildet.
Der erfindungsgemäße mobile Roboter umfasst bevorzugt eine Hülle, welche den Zentralkörper mit den Rumpfteilen, die Beine und ggf. den mindestens einen Roboterarm sowie weitere
Roboterkörperteile umschließt. Die Hülle ist bevorzugt elas tisch ausgebildet, um die Bewegungen des Laufroboters nicht zu behindern. Die Hülle weist bevorzugt Designelemente auf, die eine Interaktion mit Menschen unterstützen. Die Hülle bildet bevorzugt eine Figur, einen Charakter und/oder eine Gestalt nach, um eine Interaktion mit Menschen zu unterstützen.
Der erfindungsgemäße mobile Roboter ist bevorzugt weiterhin zur Bewegung in gasförmigen oder flüssigen Medien ausgebildet, wofür einen Auftrieb erzeugende Komponenten hinzugefügt werden. Hierzu weist der mobile Roboter bevorzugt weiterhin spezielle Auftriebskörper auf, die einen Auftrieb in Bezug auf das Umgebungsmedium erzeugen. Weitere Mittel zur Erzeugung von Auftriebskräften und Kräften zur Erzeugung einer räumlichen Bewegung kann in Form von einem System von Propellern oder Düsen ausgebildet sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Ausführen einer Lauf bewegung mit der beschriebenen Beinanordnung bzw. mit dem erfindungsgemäßen mobilen Roboter. Bei diesem Verfahren werden der Streckantrieb, der Beinschwingungsantrieb und der Beinein zugsantrieb der jeweiligen Beinanordnung so angesteuert, dass eine von einem Boden auf die Beinanordnung rückwirkende Kraft grundsätzlich in Richtung eines mit dem jeweiligen Rumpfteil ruhenden Punktes wirkt. Dieser mit dem Rumpfteil ruhende Punkt wird auch als Virtual-Pivoting-Punkt bezeichnet. Die vom Boden auf die Beinanordnung rückwirkenden Kräfte weisen jeweils eine Wirklinie auf, die erfindungsgemäß stets den Virtual-Pivoting- Punkt durchstoßen. Unter Berücksichtigung der kinematischen Größen, wie Massen, Trägheiten, Abmessungen, Federsteifigkei ten, Dämpfungen sind durch den Streckantrieb, den Beinschwin gungsantrieb und den Beineinzugsantrieb solche Stellmomente zu erzeugen, dass die Wirklinien der vom Boden auf die Beinanord nung rückwirkenden Kräfte jeweils stets den Virtual-Pivoting- Punkt durchstoßen.
Bevorzugt werden der Streckantrieb, der Beinschwingungsan trieb, der Beineinzugsantrieb sowie weiterhin der Beindre hungsantrieb, die Fußstellantriebe und/oder der Beinschwen kungsantrieb der jeweiligen Beinanordnung so angesteuert, dass die vom Boden auf die Beinanordnung rückwirkenden Kräfte grundsätzlich in Richtung des mit dem jeweiligen Rumpfteil ruhenden Punktes wirken. Unter Berücksichtigung der kinemati schen Größen, wie Massen, Trägheiten, Abmessungen, Federstei figkeiten, Dämpfungen sind durch den Streckantrieb, den Bein schwingungsantrieb und den Beineinzugsantrieb sowie durch den Beindrehungsantrieb, die Fußstellantriebe und/oder den Bein schwenkungsantrieb der jeweiligen Beinanordnung solche Stell momente zu erzeugen, dass die Wirklinien der vom Boden auf die Beinanordnung rückwirkenden Kräfte jeweils stets den Virtual- Pivoting-Punkt durchstoßen.
Bevorzugt ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Ausführen einer Laufbewegung mit dem erfindungsgemäßen mobilen Roboter ausgebildet. Die beiden Beine werden bevorzugt abwechselnd belastet, wobei in einer Schwungphase des jeweils nicht belas teten Beines der Beineinzugsantrieb des jeweils nicht belaste ten Beines so angesteuert wird, dass dieses Bein in Richtung des jeweiligen Rumpfteiles eingezogen wird. Zudem wird in der Schwungphase des jeweils nicht belasteten Beines der Streckan- trieb des jeweils nicht belasteten Beines so angesteuert, dass das Mittelgelenk dieses Beines eingeknickt wird.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfin dung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzug ter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1: eine bevorzugte Ausführungsform einer Beinanordnung eines erfindungsgemäßen Roboters in einer perspektivischen Darstellung;
Fig. 2: die in Fig. 1 gezeigte Beinanordnung in einer seitli chen Ansicht;
Fig. 3: ein Fuß der in Fig. 1 gezeigten Beinanordnung;
Fig. 4: eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemä ßen mobilen Roboters;
Fig. 5: der in Fig. 4 gezeigte mobile Roboter in einer weite ren Stellung;
Fig. 6: einen Zentralkörper mit einer Kompensationsmasse und
Kompensationsmassenstellantrieben des in Fig. 4 gezeigten mobilen Roboters; und
Fig. 7: ein erfindungsgemäß zu realisierendes mechanisches
Ersatzmodell .
Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer
Beinanordnung eines erfindungsgemäßen mobilen Roboters in einer perspektivischen Darstellung. Die Beinanordnung umfasst ein Rumpfteil 01 und ein beweglich daran befestigtes Bein 02. Das Bein 02 umfasst ein oberes Beinsegment 03 und ein unteres Beinsegment 04, welche über ein Mittelgelenk 06 zueinander beug- und streckbar miteinander verbunden sind. Das obere Beinsegment 03 ist an zwei Federdämpfern 07 aufgehängt, die wiederum an einer angetriebenen Riemenscheibe 08 befestigt sind. Da die angetriebene Riemenscheibe 08 in einem rotativen Lager (nicht gezeigt) im Rumpfteil 01 gelagert ist, kann das Bein 02 durch eine Drehung der angetriebenen Riemenscheibe 08 nach vorn und hinten geschwungen werden, sodass das rotative Lager (nicht gezeigt) ein Rumpfgelenk bildet. Das obere
Beinsegment kann gegen die Feder- und Dämpfungskraft der
Federdämpfer 07 gegenüber dem durch das rotative Lager (nicht gezeigt) gebildeten Rumpfgelenk verkürzt werden. Die
Federkraft der Federdämpfer 07 wirkt dieser Verkürzung
entgegen, sodass nach einem Verschwinden äußerer Kräfte das obere Beinsegment 03 seine vollständige Länge in Bezug auf das durch das rotative Lager (nicht gezeigt) gebildete Rumpfgelenk wiedererlangt, indem die Federdämpfer 07 ausfedern.
Die angetriebene Riemenscheibe 08 bildet mit einen Riemen 09 und einer treibenden Riemenscheibe (nicht gezeigt) , welche durch einen Elektromotor 11 antreibbar ist, ein Riemengetriebe aus. Der Elektromotor 11 und das durch die angetriebene
Riemenscheibe 08, den Riemen 09 und die treibende Riemen scheibe (nicht gezeigt) gebildete Riemengetriebe bilden gemeinsam einen Beinschwingungsantrieb, mit welchem das Bein 02 in eine Laufrichtung nach vorn und hinten geschwungen werden kann.
Der Elektromotor 11 und das durch die angetriebene Riemen scheibe 08, den Riemen 09 und die treibende Riemenscheibe (nicht gezeigt) gebildete Riemengetriebe sind auf einem Hebel arm 12 angeordnet, welcher in einer Hebelarmlagerung 13 im Rumpfteil 01 drehbar gelagert ist, sodass er nach oben und unten geschwenkt werden kann. Durch diese Schwenkbewegung wird auch das durch das rotative Lager (nicht gezeigt) gebildete Rumpfgelenk und somit auch das Bein 02 gegenüber dem Rumpfteil 01 nach oben bzw. unten verschoben, sodass ein Einzug des Beines 02 gegenüber dem Rumpfteil 01 erfolgt. An den Hebelarm 12 greift ein Antriebshebel 14 an, der durch einen Spindelan trieb 16 (vollständig gezeigt in Fig. 2) getrieben wird.
Das obere Beinsegment 03 ist um seine Längsachse drehbar. Ein elektrischer Beindrehungsantrieb 17 ermöglicht eine Drehung des oberen Beinsegmentes 03 um seine Längsachse in Bezug auf den Rumpfteil 01.
Das Mittelgelenk 06 ist mithilfe eines Streckantriebes 18 streck- und beugbar. Der Streckantrieb 18 umfasst einen elektrischen Seilzugantrieb 19, welcher am Rumpfteil 01 befes tigt ist und einen Bowdenzug 21 mit einer Zugkraft beaufschla gen kann. Der Bowdenzug 21 verläuft zum Mittelgelenk 06 und umfasst ein Zugseil 22, welches auf einem Kurvenscheibenseg ment 23 geführt ist. Das Kurvenscheibensegment 23 wandelt die Zugkraft des Zugseiles 22 in ein Drehmoment, welches auf das untere Beinsegment 04 wirkt, da das Kurvenscheibensegment 23 im Mittelgelenk 06 drehfest mit dem unteren Beinsegment 04 verbunden ist.
Das untere Beinsegment 04 mündet an seinem unteren Ende in ein elastisches Fußgelenk 24, in welchem ein Fuß 26 gelagert ist. Das Fußgelenk 24 erlaubt eine Drehung des Fußes 26 um eine Fußlängsachse. Das Fußgelenk 24 erlaubt zudem eine Drehung des Fußes 26 um eine Fußquerachse. Die Drehung des Fußes 26 in der Fußquersachse, ist mit einem ersten Fußstellantrieb 27
aktuierbar. Der erste Fußstellantrieb 27 umfasst einen ersten Fußstellseilzugantrieb 28 zum Beaufschlagen eines ersten
Bowdenzuges 29 mit einer Zugkraft. Der erste Bowdenzug 29 mündet in eine Bowdenzugaufhängung 31 am Fußgelenk 24. Die Zugkraft des ersten Bowdenzuges 29 wirkt über die Bowdenzug aufhängung 31 als Drehmoment auf den Fuß 26, um diesen um die Fußquersachse zu drehen.
Die Drehung des Fußes 26 in der Fußlängsachse ist mit einem zweiten Fußstellantrieb 32 aktuierbar. Der zweite Fußstellan trieb 32 umfasst einen zweiten Fußstellseilzugantrieb 33 zum Beaufschlagen eines zweiten Bowdenzuges 34 mit einer Zugkraft. Auch der zweite Bowdenzug 34 mündet in die Bowdenzugaufhängung 31 am Fußgelenk 24. Die Zugkraft des zweiten Bowdenzuges 34 wirkt über die Bowdenzugaufhängung 31 als Drehmoment auf den Fuß 26, um diesen um die Fußlängsachse zu drehen.
Der Fuß 26 weist drei Bodenkontaktpunkte 36, 37, 38 auf, welche über eine Fläche verteilt sind. Der erste Bodenkontakt punkt 36 befindet sich bezogen auf die Laufrichtung hinter dem Fußgelenk 24. Der zweite Bodenkontaktpunkt 37 und der dritte Bodenkontaktpunkt 38 befinden sich bezogen auf die Laufrich tung vor dem Fußgelenk 24 und weisen in einer Richtung senk recht zur Laufrichtung einen Abstand zueinander auf.
Fig. 2 zeigt die in Fig. 1 gezeigte Beinanordnung in einer seitlichen Ansicht. In dieser Darstellung ist insbesondere auch der Spindelantrieb 16 dargestellt.
Fig. 3 zeigt den in Fig. 1 gezeigten Fuß 26 in einer Detail darstellung . Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungs gemäßen mobilen Roboters. Der mobile Roboter umfasst zwei der in Fig. 1 gezeigten Beinanordnungen, welche spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet sind. Die beiden Rumpfteile 01 der beiden Beinanordnungen bilden gemeinsam mit einem Zentralkör per 41 einen Grundkörper des mobilen Roboters, wobei auf dem Grundkörper auch Funktionselemente, wie beispielsweise Robo terarme (nicht gezeigt) angeordnet sein können.
Der Zentralkörper 41 umfasst eine Kompensatormasse 42. Die Kompensatormasse 42 kann mit einem ersten Kompensatormassen stellantrieb 43 in die Längsrichtung des Zentralkörpers verschoben werden. Der erste Kompensatormassenstellantrieb 43 ist als ein elektrischer Spindelantrieb ausgeführt. Die
Kompensatormasse 42 kann mit einem zweiten Kompensatormassen stellantrieb 44 in Querrichtung des Zentralkörpers verschoben werden. Der zweite Kompensatormassenstellantrieb 44 ist als ein elektrischer Riemenantrieb ausgeführt.
Der Zentralkörper 41 umfasst weiterhin einen linken Bein schwenkungsantrieb 46, mit welchem der Rumpfteil 01 der linken Beinanordnung zur Seite geschwenkt werden kann, d. h. um eine in der Laufrichtung liegende Achse gedreht werden kann. Der Zentralkörper 41 umfasst weiterhin einen rechten Beinschwen kungsantrieb 47, mit welchem der Rumpfteil 01 der rechten Beinanordnung zur Seite geschwenkt werden kann, d. h. um eine in der Laufrichtung liegende Achse gedreht werden kann.
Fig. 5 zeigt den in Fig. 4 gezeigten Laufroboter in einer weiteren Stellung. In dieser Stellung ist der Rumpfteil 01 der rechten Beinanordnung zur Seite geschwenkt, was dadurch erzielt werden kann, dass der rechte Beinschwenkungsantrieb 46 manuell ausgekoppelt wird. Fig. 6 zeigt den in Fig. 4 gezeigten Zentralkörper 41 mit der Kompensatormasse 42 und den beiden Kompensatormassenstellan trieben 43, 44 im Detail. In dieser Darstellung sind auch die beiden Beinschwenkungsantriebe 46, 47 dargestellt.
Fig. 7 zeigt ein mechanisches Ersatzmodell eines laufenden Vogels. Dieses mechanische Ersatzmodell wird erfindungsgemäß mit dem in Fig. 4 gezeigten mobilen Roboter nachgeahmt.
Ein Schwerpunkt 51 einer räumlichen ausgedehnten Masse des Körpers des Vogels entspricht einem Schwerpunkt der räumlich ausgedehnten Masse des die Rumpfteile 01, die Beine 02, die Füße 26 und den Zentralkörper 41 umfassenden Gesamtkörper des in Fig. 4 gezeigten mobilen Roboters. In einem Rumpfgelenk 52 schwingen zwei Beine 53, welche eine Länge io besitzen und zu einem Boden 54 einen Winkel aufweisen. Das Rumpfgelenk 52 weist zum Schwerpunkt 51 der Masse einen Abstand rh auf. Dieser Abstand rh liegt in einer Geraden, welche zur der Vertikalen einen Winkel Q aufweist. Zwischen den Beinen 53 wird ein
Winkel (po aufgespannt. In dem Rumpfgelenk 52 wirkt auf die Beine 53 ein Hüftmoment t, welches bei der in Fig. 1 gezeigten Beinanordnung durch den Elektromotor 11, die angetriebene Riemenscheibe 08, den Riemen 09 und die treibende Riemen scheibe umfassenden Beinschwingungsantrieb erzeugt wird. Die Beine 53 umfassen im mechanischen Ersatzmodell jeweils ein Feder-Dämpfer-System 56, welches den in Fig. 1 gezeigten
Federdämpfern 07 entspricht. Das Feder-Dämpfer-System 56 beschreibt eine serielle Beinsteifigkeit ki, eine parallele Beinsteifigkeit k2 und eine Beindämpfung c.
Ein Virtual-Pivoting-Punkt 57 befindet sich in einem Abstand rVpp über dem Schwerpunkt 51 der Masse. Erfindungsgemäß werden entsprechend dem Vorbild der Natur die Bewegungen des in Fig. 4 gezeigten mobilen Roboters so gesteuert, dass während des Laufens die vom Boden 54 auf die Beine 53 (01 in Fig. 4) wirkenden Kräfte 58 stets auf den Virtual-Pivoting-Punkt 57 gerichtet sind, sodass Wirklinien dieser Kräfte 58 den
Virtual-Pivoting-Punkt 57 durchstoßen.
Bezugszeichenliste
01 Rumpfteil
02 Bein
03 oberes Beinsegment
04 unteres Beinsegment
05
06 Mittelgelenk
07 Federdämpfer
08 angetriebene Riemenscheibe
09 Riemen
10
11 Elektromotor
12 Hebelarm
13 Hebelarmlagerung
14 Antriebshebel
15
16 Spindelantrieb
17 Beindrehungsantrieb
18 Streckantrieb
19 Seilzugantrieb
20
21 Bowdenzug
22 Zugseil
23 Kurvenscheibensegment
24 Fußgelenk
25
26 Fuß
27 erster Fußstellantrieb
28 erster Fußstellseilzugantrieb
29 erster Bowdenzug
30
31 Bowdenzugaufhängung 32 zweiter Fußstellantrieb
33 zweiter Fußstellseilzugantrieb
34 zweiter Bowdenzug
35
3 6 erster Bodenkontaktpunkt
37 zweiter Bodenkontaktpunkt
38 dritter Bodenkontaktpunkt
3 9
4 0
4 1 Zentralkörper
42 Kompensatormasse
43 erster Kompensatormassenstellantrieb
44 zweiter Kompensatormassenstellantrieb
45
4 6 linker Beinschwenkungsantrieb
47 rechter Beinschwenkungsantrieb
4 8
4 9
50
51 Schwerpunkt
52 Rumpfgelenk
53 Bein
54 Boden
55
5 6 Feder-Dämpfer-System
57 Virtual-Pivoting-Punkt
58 Kraft

Claims

Patentansprüche
1. Mobiler Roboter, umfassend eine Beinanordnung mit einem
Bein (02) und mit einem Rumpfteil (01), wobei das Bein (02) ein oberes Beinsegment (03) und ein unteres Beinsegment (04) umfasst, welche durch ein Mittelgelenk (06)
miteinander verbunden sind, wobei das obere Beinsegment (03) und das untere Beinsegment (04) durch einen
Streckantrieb (18) über das Mittelgelenk (04) zueinander streckbar sind, wobei das obere Beinsegment (03) in einem Rumpfgelenk am Rumpfteil (01) gelagert ist und mit einem Beinschwingungsantrieb (08, 09, 11) gegenüber dem Rumpfteil (01) in eine Laufrichtung schwingbar ist, wobei das
Rumpfgelenk gegenüber dem Rumpfteil (01) mit einem
Beineinzugsantrieb (12, 14, 16) verschiebbar ist, wobei das obere Beinsegment (03) gegenüber dem Rumpfgelenk über eine Feder-Dämpfer-Einheit (07) verkürzbar ist, und wobei das Bein (02) am unteren Beinsegment (04) einen sich in einer Fläche erstreckenden Fuß (26) aufweist; wobei der mobile Roboter mindestens zwei der Beinanordnungen umfasst, und wobei die Beine (02) der Beinanordnungen gemeinsam einen Zentralkörper (01, 41) tragen, welcher die Rumpfteile (01) der Beinanordnungen umfasst.
2. Mobiler Roboter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei den einzelnen Beinanordnungen jeweils das obere Beinsegment (03) mit einem Beindrehungsantrieb (17) um eine Längsachse des oberen Beinsegmentes (03) drehbar ist.
3. Mobiler Roboter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass bei den einzelnen Beinanordnungen jeweils der Fuß (26) gegenüber dem unteren Beinsegment (04) mit einem ersten Fußstellantrieb (27) um eine Fußquerachse drehbar ist.
4. Mobiler Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei den einzelnen Beinanordnungen jeweils der Fuß (26) gegenüber dem unteren Beinsegment (04) mit einem zweiten Fußstellantrieb (32) um eine
Fußlängsachse drehbar ist.
5. Mobiler Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei den einzelnen Beinanordnungen jeweils der Streckantrieb (18) eine zwischen dem oberen Beinsegment (03) und dem unteren Beinsegment (04) wirkende Rückstellfeder und einen Seilzug (21) umfasst, wobei ein Zugseil (22) des Seilzuges (21) auf einem Scheibensegment (23) geführt ist, und wobei das Scheibensegment (23) im Mittelgelenk (06) drehfest mit einem der beiden
Beinsegmente (04) verbunden ist.
6. Mobiler Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei den einzelnen Beinanordnungen jeweils das obere Beinsegment (03) in Bezug auf das
Rumpfgelenk über die Feder-Dämpfer-Einheit (07) durch eine zwischen dem oberen Beinsegment (03) und dem Rumpfgelenk wirkende Kraft verkürzbar ist, wobei das obere Beinsegment (03) in Längsrichtung des oberen Beinsegmentes (03)
verkürzbar ist.
7. Mobiler Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei den einzelnen Beinanordnungen jeweils der Beinschwingungsantrieb (08, 09, 11) ein
Riemengetriebe (08, 09) mit einer treibenden Riemenscheibe und mit einer getriebenen Riemenscheibe (08) umfasst, wobei die treibende Riemenscheibe mit einem Elektromotor (11) antreibbar ist und die getriebene Riemenschreibe (08) im Rumpfgelenk drehfest mit dem oberen Beinsegment (03) verbunden ist.
8. Mobiler Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei den einzelnen Beinanordnungen jeweils der Fuß (26) mindestens drei zueinander entfernte Bodenkontaktpunkte (36, 37, 38) aufweist, die eine Ebene aufspannen, welche die Fläche der Erstreckung des Fußes (26) bildet.
9. Mobiler Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Beinanordnungen jeweils einen Sensor umfassen, mit welchem mindestens eine von drei Komponenten einer Differenz von räumlichen Winkellagen des jeweiligen Fußes (26) messbar ist.
10. Mobiler Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei den einzelnen Beinanordnungen jeweils der Beineinzugsantrieb (12, 14, 16) einen das
Rumpfgelenk tragenden Hebelarm (12) umfasst, der mit einem Hebelantrieb (14, 16) gegenüber dem Rumpfteil (01)
schwenkbar ist.
11. Mobiler Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Zentralkörper (01, 41) eine
Kompensatormasse (42) angeordnet ist, die mit einem ersten Kompensatormassenstellantrieb (43) in die Längsrichtung des Zentralkörpers (01, 41) verschiebbar ist und die mit einem zweiten Kompensatormassenstellantrieb (44) in eine
Querachse des Zentralkörpers (01, 41) verschiebbar ist.
12. Mobiler Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rumpfteile (01) jeweils mit einem Beinschwenkungsantrieb (46; 47) um eine Achse parallel zur Längsachse des Zentralkörpers (01, 41) schwenkbar sind.
13. Mobiler Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass er genau zwei der Beinanordnungen umfasst .
14. Verfahren zum Ausführen einer Laufbewegung mit einem
mobilen Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei welchem bei den einzelnen Beinanordnungen jeweils der
Streckantrieb (18), der Beinschwingungsantrieb (08, 09, 11) und der Beineinzugsantrieb (12, 14, 16) so angesteuert werden, dass eine von einem Boden (54) auf die jeweilige Beinanordnung rückwirkende Kraft (58) grundsätzlich in Richtung eines mit dem Rumpfteil (01) ruhenden Punktes (57) wirkt .
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Beine (02) abwechselnd belastet werden, wobei in einer Schwungphase des jeweils nicht belasteten Beines (02) der Beineinzugsantrieb (12, 14, 16) des jeweils nicht belasteten Beines (02) so angesteuert wird, dass das Bein (02) in Richtung des jeweiligen Rumpfteiles (01) eingezogen wird, und wobei in der Schwungphase des jeweils nicht belasteten Beines (02) der Streckantrieb (18) des jeweils nicht belasteten Beines (02) so angesteuert wird, dass das Mittelgelenk (06) eingeknickt wird.
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